基于虚拟仪器技术的步进电机检测系统

1 硬件构成

检测系统主要由信号接口及虚拟仪器两部分构成(图1)。待测信号由控制机柜上的接口引出，通过信号选择、调理之后送入工控机，由数据采集卡进行数据采集，并最终由数据处理软件进行分析、显示、存储等。步进电机系统由脉冲控制器、驱动电路和步进电机等几部分构成，根据不同的检测要求如常规检测、实时监控和故障诊断等，需要对脉冲控制器的输出、驱动电路的输出以及电机绕组的信号分别进行检测。为更有效的利用采集卡的硬件资源以及计算机的数据处理能力，在接口部分设置了信号选择电路，负责把需要检测的信号送入后续系统。接口电路结构如图2所示，通过两个选择开关的不同组合，分别实现从驱动板输入级引出脉冲控制器信号、从驱动板输出级引出驱动电路信号、从电机回路引出步进电机绕组电流信号。

信号调理电路采用运算放大器对取样电阻两端的信号进行差分运算，得到电压、电流信号并以单端方式输出至数据采集卡。步进电机常采用方波电压驱动，从其频谱构成来看包含一定的高频成分，属于有突变的大幅值信号，故选用LM318高速宽带运算放大器，其增益带宽为15MHz，转换速率为70V/μs。为进一步提高待测信号的信噪比，减小软件数据处理的难度以及减少运算量，在LM318的电源部分加入了2个1000μF的电解电容退耦合，在其输出端加入了0.2μF的瓷片电容以滤除高频噪声。

虚拟仪器的硬件采用基于PCI总线技术的DAQ数据采集系统，选用的PCI-6071E数据采集卡可实现对32个步进电机及其驱动电路和脉冲控制器的多路并行检测。

2 软件设计

根据模块化的编程思想，检测程序(图3)的结构自上而下分为主程序层、逻辑层、驱动层。主程序层由用户界面和测试执行部分构成，逻辑层负责逻辑关系的验证以及相关决策的制定，驱动层负责与仪器、被测设备以及其他应用程序之间的通信。软件的开发平台为NI公司的LabVIEW。检测程序的主要任务为多通道的数据采集、分析和存储，因此程序的优化及运行效率问题都显得较为重要，在软件的开发中运用了LabVIEW所支持的多项先进编程技术，如数据流、多线程、定时循环、状态机等。